不均衡なマルチセル バッテリーでは、最も弱いセルを使用してシステム全体の容量を決定します。個々のセルの老化の度合いはそれぞれ異なるため、これは容量を判断する効果的な方法ではありません。慎重に選択したとしても、すべてのセルが同じ容量を持つことを保証することはできません。この問題を解決するためのさまざまな解決策があります。
リチウムイオン電池は、他の種類の電池と同様に、充電および放電中に化学変化により消耗します。リチウムイオン電池では、陽極は炭素またはグラファイト化合物でコーティングされた銅箔で構成されています。カソードはリチウム化合物で構成されています。電極間の電解質は溶解したリチウム塩です。電解質が液体か固体かによって、リチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池と呼ばれます。
セルは主にカソード材料が異なり、コバルト、マンガン、ニッケルコバルト、ニッケルコバルトマンガン (NKM)、リン酸鉄、またはチタン酸塩から構成されます。さまざまなカソード材料により、エネルギー密度、電力密度、公称電圧、および可能な充電サイクルが異なります。
スムーズな充電
このようなセルに使用される、いわゆるIU充電方式は、定電流および定電圧 (定電流 = CC、定電圧 = CV) で動作します。この手順では、まずバッテリーが定電流で充電されます。これにより充電電流が制限され、高くなりすぎることが防止されます。定電流充電は最終充電電圧に達するまで継続されます。その後は定電圧で充電を継続し、最終充電電圧を超えないようにします。充電電流は充電量が増加するにつれて減少します。
寿命と同様に、充電時間もさまざまな要因に左右されますが、充電容量が大きいほど、とりわけ温度が重要になります。充電および放電時間が短いと電極材料に悪影響を与え、寿命とサイクル数が短くなります。スムーズな充電と放電により、リチウムイオン電池の寿命が大幅に延びます。
リチウムメッキ
リチウムイオンセルを高充電電流または低温で充電すると、リチウムメッキによる損傷が発生する可能性があります。リチウムイオンは、グラファイトの層間に挿入されるのではなく、アノード表面に堆積することが好ましい。この影響により、パフォーマンス、耐久性、安全性が大幅に低下します。極端な場合には、リチウムメッキによってショートが発生したり、金属リチウムはすぐに燃えてしまうため、火災が発生することもあります。バッテリーの品質と設計に応じて、500回から1000回以上の充電サイクルが一般的です。バッテリーは、元の容量の80% 未満しか残っていない場合、消耗しているとみなされます。
問題
いわゆるクラスターまたはバッテリー パックは、通常、公称電圧を高めるために直列に接続された複数の単一セルまたはセル ブロックで構成されます。経年劣化により、これらのセルの容量、内部抵抗、その他のパラメータに変動が生じます。最も弱いセルによって、どれだけの量がロードされ、どれだけの量がアンロードされるかが決まります。
直列に接続された多セルバッテリーを実際に使用すると、セルは直列で異なる方法で充電および放電されることになります。重大な深放電または過充電は、ネットワーク内で発生するか、または個々のセルが過充電されて最終充電電圧を超えた場合に発生します。バッテリーの種類によっては、個々のセルに回復不可能な損傷が発生する可能性があります。その結果、バッテリーパック全体の容量が失われます。
バッテリー管理システム (BMS)
BMSは、電気自動車やハイブリッド自動車、ロボットなどの自律型パワーエレクトロニクス アプリケーション (E-Power) における高性能バッテリー パックの充電および放電プロセスの制御と監視を担当します。その主な役割は、ロード時とアンロード時の両方で、個々のセルがアプリケーションに定義された充電状態 (SoC) 制限を超えたり下回ったりしないようにすることです。SoC値は、バッテリーの公称値に対する残りの使用可能容量です。値は完全に充電された状態のパーセンテージとして示されます。例: 30 % は、バッテリーのフル充電に対してまだ30 % の残量が残っていることを意味します。アプリケーションに応じて、SoCの上限値と下限値は20% ～ 100% (最大電力) または100% (最大電力) になります。30% - 70%（最大耐用年数）。
BMSは、バッテリー電圧、セル温度、セル容量、充電状態、電流消費量、残り動作時間、充電サイクルなどの特性を監視します。高い総バッテリー容量を実現するには複数のバッテリーセルをクラスター化する必要があるため、これらの制御ユニットは不可欠です。このようなバッテリー管理システムでは、バランサーがますます重要な役割を果たしています。
バッテリーバランス調整: パッシブ
技術的に比較的単純で広く使用されている方法は、パッシブバランス調整です。これは実際には、バッテリー パックのセルがほぼ完全に充電された充電終了時にのみ機能します。すでに最終充電電圧に達しているセルについては、バランサーによって抵抗器が並列に接続され、電圧が最終充電電圧に制限されます。このセルはわずかに充電されるか、または放電される一方、最終充電電圧にまだ達していない直列接続のセルには、フル充電電流が供給され続けます。余分なエネルギーは抵抗器で熱の形で発生するため、並列抵抗器の電力は充電電流に合わせて調整する必要があります。この方法の利点は、費用がかからず、技術的に実装が簡単なことです。裏を返せば、最も弱いセルが必要なSOC値に達するまで、充電プロセスに非常に長い時間がかかります。さらに、不要な熱によって多くのエネルギーが浪費されます。この熱損失はバッテリーセルの耐用年数にも悪影響を及ぼし、大きな火災の危険性をもたらします。
バッテリー バランシング: アクティブ
アクティブ バランサーははるかに複雑ですが、より効率的です。これらはセル間で電荷を転送するために使用されます。つまり、電荷の高いセルのエネルギーが電荷の低いセルに転送されます。原則として、充電制御は、アプリケーションに特別に最適化され、セルごとに動作してエネルギーを積極的に転送する複数のスイッチング レギュレータで構成されます。このプロセスは、読み込みプロセス中にすでに実行されている可能性があります。ただし、パッシブ バランシングと同様に、通常は充電終了領域でのみ開始されます。双方向バランサー システムでは、この電荷交換はロード プロセスとアンロード プロセスの両方で行われます。したがって、双方向バランサーはさらに効率的になります。
アクティブバランスの主な利点は、余剰エネルギーが熱に変換される量がわずかであるため、効率が大幅に高くなることです。アクティブバランシングは現在、電気自動車（EV = 電気自動車、BEV = バッテリー電気自動車、HEV = ハイブリッド電気自動車、PHEV = プラグインハイブリッド電気自動車）などの分野で、より大きな出力（e-power）に使用されています。
制御システムの切り替え作業が増えると、当然、初期コストも高くなります。しかしその代わりに、このバッテリー管理の制御システムは具体的な利点をもたらします。インテリジェントで適応性の高いソフトウェアによる上位の充電制御により、異なる直列回路間でも強いセルから弱いセルへの充電を再分配することで、高性能バッテリー パックの耐用年数を大幅に延ばすことができます。
コイル付きアクティブバランサーの原理回路、2段階。出典: Wikipedia
保護
電気自動車などのE-Powerアプリケーションでは、通常、バッテリー パックが最大のコスト要因となります。顧客は、最大のパフォーマンス容量、可能な限り最速の充電プロセス、長い耐用年数、絶対的な信頼性を要求します。単純に互換性がない要件。
リチウムベースのバッテリーは、堅牢な鉛蓄電池よりも大幅に高い電力密度を備えています。ただし、過電圧や低電圧に対しては非常に敏感です。これには、個々のセルの早期故障、過熱、さらには短絡を確実に防止するための監視と保護が必要です。このようなバックアップは、長年にわたって問題なく動作する必要があります。冬の寒さや夏の暑さ、そして衝撃や振動にも耐えなければなりません。
最小限の損失で最大の充電電流と放電電流を通過させる必要があります。オン・オフの切り替え、加速-周期的な抵抗も不可欠です。
定電流（CC）と定電圧（CV）によるIU充電方式
カスタマイズされたヒューズ
ただし、バッテリー パックの最大の敵は、過熱、短絡、パルス過電流です。高性能バッテリーパックの設計と目的に応じて、過電流からの保護や温度に重点を置く必要があります。しかし、ほとんどの場合、複数の潜在的な問題が同時に発生します。実際には、保護にはカスタマイズされたソリューションが必要であることを意味します。過電流と過熱に対する保護のためのパルス耐性コンビネーションヒューズは可能であり、すでに実装されています。これは、必要な機械的耐性を確保するためにチップ技術を使用して行われます。
最大限の安全性と寿命を備えた最大限の電力密度: このアプローチは、個々のセルだけでなく、エネルギー ユニット全体に適用されます。
経済性
もちろん、常に最新のバッテリー技術を使用し、常に最高のパフォーマンス容量を提供することが可能です。しかし、これには常に高いコストが伴い、長期的な経験がまったく欠けています。このため、業界では、標準的なアプリケーション (ノートブックなど) で何百万回も実証されている確立されたテクノロジを基盤として構築する傾向があります。次のステップでは、製造プロセスが最適化され、入力フローおよび出力フローの制限が決定され、可能な限りスケーリングするためのメカニズムが開発されます。インテリジェントな充電および放電プロセスは将来非常に重要になります。最適化されたバランスにより、最大のパフォーマンスと最大の寿命が実現します。
経験豊富なパートナー
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